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JP7319737B2 - stacked reactor - Google Patents
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Description

本発明は、積層型反応器に関し、特に反応器内壁面に固体触媒が敷設された、固体析出を伴う反応用積層型反応器に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a layered reactor, and more particularly to a layered reactor for reactions involving solid deposition, in which a solid catalyst is laid on the inner wall surface of the reactor.

流通式反応器内に充填された固体触媒を用いた化学反応においては、固体析出を伴う反応の場合、時間経過とともに析出物が蓄積して反応器内の圧力損失が増加するという問題がある。例えば、メタン改質のように炭素析出を伴う反応においては、触媒細孔内或いは触媒粒子間に析出炭素が蓄積して空間を埋めるため、流通式の触媒反応器の場合、時間経過とともに流路を閉塞し圧力損失の上昇ひいては運転停止を招く。そうなると、析出した炭素の除去のために、触媒上の酸化剤等による炭素の燃焼や触媒の交換等々のメンテナンスが必要となるが、運転開始からメンテナンスまでの時間はなるべく長い方が、メンテナンス頻度が下がり、実用上有利である。 In a chemical reaction using a solid catalyst packed in a flow reactor, if the reaction involves solid deposition, there is a problem that the deposit accumulates over time and the pressure loss in the reactor increases. For example, in a reaction involving carbon deposition, such as methane reforming, deposited carbon accumulates in the catalyst pores or between the catalyst particles to fill the space. blockage, increase pressure loss, and eventually stop operation. In that case, in order to remove the deposited carbon, maintenance such as combustion of carbon with an oxidizing agent on the catalyst and replacement of the catalyst is required. It is practically advantageous.

こうした問題を解決する反応器としてプレート型反応器が提案されている。該プレート型反応器は、2枚のプレート間に、流路を形成するためのスリットを有するガスケットを挟んでサンドイッチ構造にし、前記2枚のプレートのいずれか一方または両方に前記スリットに連通する少なくとも1つの流体入口及び少なくとも1つの流体出口を設けたものであって、該プレート型反応器の2枚のプレートの流路に面する壁面に設けた溝部に固体触媒を埋設固定してメタン改質を行うことにより、従来のチューブに固体触媒を充填した充填型反応器を用いた場合と比較して、流路閉塞による圧力損失の上昇を抑制できたとが報告されている(特許文献1、非特許文献1,2)。 A plate reactor has been proposed as a reactor to solve these problems. The plate-type reactor has a sandwich structure in which a gasket having a slit for forming a flow path is sandwiched between two plates, and at least one or both of the two plates communicate with the slit. A plate-type reactor having one fluid inlet and at least one fluid outlet, wherein a solid catalyst is embedded and fixed in grooves provided on the wall surfaces of the two plates of the plate-type reactor facing the flow channel to reform methane. It is reported that by performing the above, it was possible to suppress the increase in pressure loss due to channel blockage compared to the case of using a conventional packed reactor in which a solid catalyst was packed in a tube (Patent Document 1, Non Patent Documents 1 and 2).

特開2017-144403号公報JP 2017-144403 A

福田ら,「プレート型反応器を用いたメタン改質の検討」,化学工学会第81回年会大会要旨集,D303(2016年2月)Fukuda et al., "Study of methane reforming using a plate reactor", Abstracts of the 81st Annual Meeting of the Society of Chemical Engineers, D303 (February 2016) 福田ら,「プレート型反応器を用いたメタン改質の検討(2)-濃厚ドライガスの改質-」,化学工学会第48回秋季大会要旨集,LQ130(2016年8月)Fukuda et al., "Study of methane reforming using a plate-type reactor (2) - Reforming of concentrated dry gas -", Abstracts of the 48th Autumn Meeting of the Society of Chemical Engineers, LQ130 (August 2016)

前述の各先行技術文献におけるプレート型反応器においては、溝部に埋設固定する触媒として、粒径0.3mm以下に篩い分けした粉末状触媒を用いている。
しかしながら、流路閉塞抑制の観点からは、反応容器内部の何もない空間の割合(ボイド率)を高めることが有利であり、固体触媒の粒径をより大きくして触媒層の嵩密度を下げることでボイド率を高めることにより、更なる流路閉塞抑制が期待できる。
In the plate-type reactors in each of the prior art documents mentioned above, a powdery catalyst sieved to a particle size of 0.3 mm or less is used as the catalyst buried and fixed in the groove.
However, from the viewpoint of suppressing channel clogging, it is advantageous to increase the ratio of void space inside the reaction vessel (void ratio), and increase the particle size of the solid catalyst to lower the bulk density of the catalyst layer. By increasing the void fraction in this manner, further suppression of channel clogging can be expected.

しかしながら、粒径が大きい固体触媒を用いる場合には、反応器壁面への固体触媒の強固な固定が困難となるという問題がある。
すなわち、粒径が小さい粉末状触媒を用いる場合、前記プレートに設けられた溝部に埋設固定する方法として、圧縮成形して固定する方法や硝酸アルミニウム溶液などの固定液(バインダー)で固定する方法(特許文献1[0010]参照)等を用いることができるが、粒径が大きな顆粒状触媒を用いる場合には、触媒粒子同士、或いは触媒と反応器壁面との接触面積が不十分になり、これらの方法では、固体触媒が反応器壁面から容易に剥がれ落ちてしまい、強固な固定が困難であるという問題がある。
However, when a solid catalyst having a large particle size is used, there is a problem that it becomes difficult to firmly fix the solid catalyst to the wall surface of the reactor.
That is, when a powdery catalyst having a small particle size is used, the method of embedding and fixing it in the groove provided in the plate includes a method of fixing by compression molding, and a method of fixing with a fixing liquid (binder) such as an aluminum nitrate solution ( Patent Document 1 [0010]) can be used, but when a granular catalyst having a large particle size is used, the contact area between the catalyst particles or between the catalyst and the wall surface of the reactor becomes insufficient. The method of (1) has the problem that the solid catalyst easily peels off from the wall surface of the reactor, making it difficult to firmly fix it.

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、前述したプレート型反応器をはじめとする、複数のプレートを、ガスケットを介して積層した、固体析出を伴う反応用積層型反応器において、固体触媒の粒径をより大きくした場合であっても、該固体触媒の脱落や飛散を防止しうるようにした積層型反応器を提供することを課題とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a layered reaction for reactions involving solid deposition, in which a plurality of plates, including the above-described plate-type reactor, are stacked via gaskets An object of the present invention is to provide a layered reactor capable of preventing falling-off and scattering of a solid catalyst even when the particle size of the solid catalyst is increased.

本発明者は、前記課題を解決するために種々の検討を行った結果、固体析出を伴う反応用積層型反応器において、粒径が0.3mmより大きい粉末状又は顆粒状の固体触媒を使用し、反応器内壁面に設けられた固体触媒の敷設部表面を、該固定触媒の粒径よりも小さな目開きを有するメッシュなどの支持体で覆うことで、固体触媒粒子が多少動いても脱落ないし飛散しないようにする(以下、「固定する」)ことが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of various investigations in order to solve the above problems, the present inventors have found that a solid catalyst in the form of powder or granules having a particle size of greater than 0.3 mm is used in a layered reactor for reactions involving solid deposition. Then, by covering the surface of the solid catalyst laying portion provided on the inner wall surface of the reactor with a support such as a mesh having openings smaller than the particle size of the fixed catalyst, the solid catalyst particles will fall off even if they move slightly. The inventors have also found that it is possible to prevent the particles from scattering (hereinafter, "fixing"), and have completed the present invention.

すなわち、上記課題を解決するための本発明は、以下のとおりである、
[1]固体析出を伴う反応用積層型反応器であって、
複数のプレートを、ガスケットを介して所定間隔で積層配置することで形成された流路と、
前記プレートのいずれかに設けられた、前記流路に連通する流体入口及び流体出口と、
粒径が0.3mmより大きい粉末状又は顆粒状の固体触媒と、
前記流路に面する壁面に設けられた、前記固体触媒の敷設部と、
前記固体触媒の敷設部を覆う、前記固体触媒の粒径よりも小さな目開きを有する支持体と、
を備え、
前記支持体によって、前記固体触媒が前記壁面に固定されている、積層型反応器。
[2]前記固体触媒の敷設部が、前記プレート又はガスケットの流路に面する壁面に設けられた凹部内に設けられている、[1]に記載の積層型反応器。
[3]前記固体触媒の敷設部が、前記プレート又はガスケットの流路に面する凹部の無い壁面表面に設けられている、[1]に記載の積層型反応器。
[4]前記支持体が、前記プレートのいずれかとガスケットの間に挟持されている、[1]~[3]のいずれかに記載の積層型反応器。
[5]前記支持体が、復元力を有する支持体であって、前記プレートとプレートの間に面圧により圧縮固定されている、[1]~[3]のいずれかに記載の積層型反応器。
[6]前記プレートが、
積層構造の最下層及び最上層に配置された2枚のプレートと、
該2枚のプレートの間に配置された、複数の貫通孔を備える整流プレートと
を備えると共に、
前記流体入口と流体出口とが、前記整流プレートに対して互いに反対側に配置された、[1]~[5]のいずれかに記載の積層型反応器。
That is, the present invention for solving the above problems is as follows:
[1] A layered reactor for reactions involving solid deposition,
a channel formed by stacking a plurality of plates at predetermined intervals via gaskets;
a fluid inlet and a fluid outlet provided in one of the plates and communicating with the channel;
a powdery or granular solid catalyst with a particle size of greater than 0.3 mm;
a laying portion for the solid catalyst provided on a wall surface facing the flow path;
a support covering the laying portion of the solid catalyst and having openings smaller than the particle size of the solid catalyst;
with
A stacked reactor in which the solid catalyst is fixed to the wall surface by the support.
[2] The stacked reactor according to [1], wherein the portion where the solid catalyst is laid is provided in a recess provided in the wall surface of the plate or gasket facing the channel.
[3] The stacked reactor according to [1], wherein the solid catalyst-laying portion is provided on the wall surface of the plate or gasket that faces the channel and has no recesses.
[4] The stacked reactor according to any one of [1] to [3], wherein the support is sandwiched between one of the plates and a gasket.
[5] The layered reaction according to any one of [1] to [3], wherein the support has a restoring force and is compressed and fixed between the plates by surface pressure. vessel.
[6] The plate is
two plates arranged on the bottom and top layers of the laminated structure;
a straightening plate having a plurality of through-holes disposed between the two plates,
The stacked reactor according to any one of [1] to [5], wherein the fluid inlet and the fluid outlet are arranged opposite to each other with respect to the straightening plate.

本発明によれば、如何なる粒径・形状の固体触媒であっても、脱落・飛散しないように固定することが可能な積層型反応器を提供することができ、特に、大きな粒径を有する固体触媒を固定できることから、反応容器内におけるボイド率を高めることが可能となる。また、メタン改質による水素製造あるいは合成ガス製造において、本発明の積層型反応器を用いることにより、炭素析出による流路閉塞に至るまで、或いは触媒のメンテナンスに至るまでを従来よりも長時間かけて実施でき、それによりメンテナンス頻度を下げることができ、結果としてランニングコストを低減させた運転を実施できる。 According to the present invention, it is possible to provide a layered reactor in which a solid catalyst of any particle size and shape can be fixed so as not to fall off or scatter. Since the catalyst can be fixed, it becomes possible to increase the void fraction in the reaction vessel. In addition, in hydrogen production or synthesis gas production by methane reforming, by using the stacked reactor of the present invention, it takes a longer time than before to block the flow path due to carbon deposition or to maintain the catalyst. Therefore, maintenance frequency can be reduced, and as a result, operation can be performed with reduced running costs.

本発明の一実施形態に係る積層型反応器の外観Appearance of a stacked reactor according to one embodiment of the present invention 本発明の一実施形態において、流路に面する壁面に固体触媒を敷設する態様を示す斜視図FIG. 2 is a perspective view showing a mode in which a solid catalyst is laid on a wall surface facing a channel in one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態において、固体触媒の固定方法の一例を模式的に示す図であって、下側プレート2を上から見た斜視図1 is a diagram schematically showing an example of a method for fixing a solid catalyst in an embodiment of the present invention, and is a perspective view of the lower plate 2 as seen from above; FIG. 本発明の一実施形態において、固体触媒の固定方法の一例を模式的に示す図であって、上下のプレート2,2とガスケット3を横から見た断面図1 is a diagram schematically showing an example of a method for fixing a solid catalyst in an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of upper and lower plates 2, 2 and a gasket 3 viewed from the side; FIG. 本発明の一実施形態において、支持体の固定方法の一例を模式的に示す図であって、上下のプレート2,2とガスケット3を横から見た断面図FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of a method of fixing a support in one embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of upper and lower plates 2, 2 and a gasket 3 viewed from the side; 本発明の他の実施形態として、種々の形状のプレートを用いる態様を示す斜視図FIG. 4 is a perspective view showing a mode using plates of various shapes as another embodiment of the present invention; 本発明の他の実施形態として、流体入口及び流体出口を同じプレートに敷設する態様を示す斜視図FIG. 3 is a perspective view showing a mode in which a fluid inlet and a fluid outlet are laid on the same plate as another embodiment of the present invention; 本発明の他の実施形態として、3枚以上のプレートを用いる態様を示す斜視図FIG. 4 is a perspective view showing an aspect using three or more plates as another embodiment of the present invention; ボイド率の定義を説明する図Diagram explaining the definition of void fraction 触媒壁型反応器における触媒層寸法(L、W、H)の定義を説明する図Diagram explaining the definition of catalyst layer dimensions (L, W, H) in a catalyst wall reactor 管型の触媒充填型反応器における触媒層寸法(L、di)の定義を説明する図Diagram explaining the definition of catalyst layer dimensions (L, d i ) in a tubular catalyst-packed reactor 本発明の実施例及び比較例における、圧力損失及びメタン転化率の経時変化を示す図FIG. 2 is a diagram showing temporal changes in pressure loss and methane conversion rate in Examples and Comparative Examples of the present invention;

以下、本発明を、実施形態に基づいて詳細に説明するが、本発明は該実施形態に限定されるものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments, but the present invention is not limited to the embodiments.

本発明の一実施形態(以下、「本実施形態」と記載する)に係る積層型反応器1は、図1の外観図に示すように、複数のプレート2,2と該プレート間に配置されたガスケット3とを備えており、該ガスケット3の開口部と該開口部に位置するプレートの内面とで流路4を形成すると共に、プレート2,2には該流路4に連通する流体入口5及び流体出口6が設けられている。 A stacked reactor 1 according to one embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment") is arranged between a plurality of plates 2 and 2, as shown in the external view of FIG. A flow path 4 is formed by the opening of the gasket 3 and the inner surface of the plate positioned at the opening. 5 and a fluid outlet 6 are provided.

本実施形態に係る積層型反応器は、前記のプレート2,2とガスケット3とを重ね合わせて(積層して)位置決めし、積層方向に面圧を印加してガスケットを圧縮変形させながら各要素間の隙間を埋めた後、プレート同士を固定して組み立てられる。面圧の印加方法及びプレートの固定方法は特に限定されず、例えば、プレート及びガスケットに設けられた複数のボルト挿通孔にボルトを挿通し、これにナットを螺合して締め付ける方法等が挙げられる。 In the stacked reactor according to the present embodiment, the plates 2, 2 and the gasket 3 are superimposed (stacked) and positioned, and each element is compressed and deformed by applying a surface pressure in the stacking direction to compress and deform the gasket. After filling the gaps between them, the plates are assembled by fixing them together. The method of applying surface pressure and the method of fixing the plate are not particularly limited. .

固体触媒は、流体の圧力損失を低減するために、流路4の内壁に沿って敷設することが好ましい。
図2は、本実施形態において、流路4に面する壁面に固体触媒7を敷設する態様を示す分解斜視図であって、(a)に示すように、プレートの流路に面する(流路を画定する)壁面に設けた凹部内に敷設する態様、或いは、(b)に示すように、ガスケットの流路に面する(流路を画定する)壁面に設けた凹部内に敷設する態様、及びこれらの態様の組合せ等が挙げられる。
また、前述した各態様において、(c)に示すように、複数種の固体触媒71,72を流路に沿って複数個所に敷設しても良い。
さらに、図2(a)ないし(c)に図示する例では、固体触媒を、流路4に面する壁面に設けられた凹部内に敷設しているが、凹部の無い壁面表面に敷設しても良い。
The solid catalyst is preferably laid along the inner wall of the channel 4 in order to reduce the pressure loss of the fluid.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a manner in which the solid catalyst 7 is laid on the wall surface facing the channel 4 in this embodiment. or, as shown in (b), in a recess provided in the wall surface (defining the flow path) facing the flow path of the gasket. , and combinations of these aspects.
Moreover, in each of the above-described aspects, as shown in (c), plural types of solid catalysts 71 and 72 may be laid at plural locations along the flow path.
Furthermore, in the examples shown in FIGS. 2(a) to 2(c), the solid catalyst is laid in the recess provided in the wall surface facing the flow path 4, but it is laid on the wall surface without the recess. Also good.

本発明においては、粒径が0.3mmより大きい粉末状又は顆粒状の固体触媒が、前記固体触媒の敷設部を覆う、前記固体触媒の粒径よりも小さな目開きを有する支持体によって、壁面に固定されていることを特徴とする。 In the present invention, a powdery or granular solid catalyst having a particle size of more than 0.3 mm is covered with a support having openings smaller than the particle size of the solid catalyst, which covers the laying portion of the solid catalyst. characterized in that it is fixed to

図3,4は、本実施形態における固体触媒7の固定方法の一例を模式的に示す図であって、図3は、下側プレート2を上から見た斜視図、図4は、上下のプレート2,2とガスケット3を横から見た断面図であり、図中の矢印は、流体の流れを示している。
本実施形態では、図3,4に示すように、プレート2,2の流路4に面する壁面に設けられた凹部内に固体触媒7が敷設されており、固体触媒7の敷設部を、前記固体触媒7の粒径よりも小さな目開きを有するメッシュ等の支持体8で覆うことで、固体触媒7が脱落あるいは飛散することなく積層型反応器内に固定される。
3 and 4 are diagrams schematically showing an example of a method for fixing the solid catalyst 7 in the present embodiment. FIG. 3 is a perspective view of the lower plate 2 as seen from above, and FIG. It is a cross-sectional view of the plates 2, 2 and the gasket 3 as seen from the side, and the arrows in the drawing indicate the flow of fluid.
In this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the solid catalyst 7 is laid in recesses provided in the walls of the plates 2, 2 facing the flow path 4. By covering with a support 8 such as a mesh having openings smaller than the particle size of the solid catalyst 7, the solid catalyst 7 is fixed in the layered reactor without falling off or scattering.

また、図3,4に図示されている実施形態に限られず、例えば、固体触媒7が、凹部のないプレート2,2の表面に敷設されても、或いは、プレート2,2のいずれか一方のみに敷設されてもよく、いずれの場合も固体触媒7は同様に支持体8を用いて固定される。 3 and 4. For example, the solid catalyst 7 may be laid on the surfaces of the plates 2, 2 without recesses, or only one of the plates 2, 2 may be provided. in which case the solid catalyst 7 is likewise fixed using a support 8 .

支持体8としては、敷設されている固体触媒7の粒径よりも小さな目開きを有するものであれば、その形状は特に限定されず、例えば、メッシュ、綿状体、不織布、スポンジ状多孔体、パンチング穴が設けられた多孔体等の各種多孔体が用いられる。 The shape of the support 8 is not particularly limited as long as it has meshes smaller than the particle size of the laid solid catalyst 7. Examples thereof include mesh, cotton-like material, non-woven fabric, and sponge-like porous material. , a porous body provided with punching holes, and other porous bodies are used.

また、それらの支持体8の材質は、積層型反応器の使用条件下で原料及び反応生成物と反応しないものであれば特に限定されず、例えば、ステンレス系材質(SUS303、SUS420J2、SUS304、SUS316、SUS440C等)、アルミ系材質(A2017、A5052、A5056、A6061、A7075等)、真鍮系材質(C3601、C3604B等)、鉄系材質(S10C~S45C、SCM415、SCM420、SCM435、SCM440、SUJ2、SKD11、SKS3、SUM22D、SUM24L、STKM13A、SCR420等)、チタン、ニッケル系材質(インコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)、モネル(登録商標)、インコロイ(登録商標)等)、及び銅をはじめとする金属材料、アクリル樹脂などの有機化合物材料、並びにアルミナ、石英などのセラミックス材料等が使用できる。また、単一の材料に限定されず、めっきや蒸着等の被覆を施したものであってもよい。 In addition, the material of the support 8 is not particularly limited as long as it does not react with the raw materials and reaction products under the conditions of use of the stacked reactor. , SUS440C, etc.), aluminum materials (A2017, A5052, A5056, A6061, A7075, etc.), brass materials (C3601, C3604B, etc.), iron materials (S10C to S45C, SCM415, SCM420, SCM435, SCM440, SUJ2, SKD11) , SKS3, SUM22D, SUM24L, STKM13A, SCR420, etc.), titanium, nickel-based materials (Inconel (registered trademark), Hastelloy (registered trademark), Monel (registered trademark), Incoloy (registered trademark), etc.), and copper. Metal materials, organic compound materials such as acrylic resins, and ceramic materials such as alumina and quartz can be used. In addition, the material is not limited to a single material, and may be coated with plating, vapor deposition, or the like.

次に、積層型反応器1における支持体8の固定方法について説明する。
前述の図3,4の例では、前記支持体8を接着剤等でプレート2,2壁面に固定した後、該プレート2,2とガスケット3とを積層して積層型反応器に組み立てるものであるが、支持体8の固定方法はこれに限られず、積層型反応器の組み立てと同時に、支持体8を固定しても良い。
例えば、積層型反応器の組み立て時に、支持体8をプレート2,2のいずれかとガスケット3の間に挟持する方法や、復元力を有する支持体8を用い、プレート2,2間に印加される面圧により圧縮固定する方法等が挙げられる。
Next, a method for fixing the support 8 in the stacked reactor 1 will be described.
In the examples shown in FIGS. 3 and 4, after the support 8 is fixed to the walls of the plates 2 and 2 with an adhesive or the like, the plates 2 and the gasket 3 are laminated to assemble the laminated reactor. However, the method of fixing the support 8 is not limited to this, and the support 8 may be fixed at the same time as the stacked reactor is assembled.
For example, when assembling a stacked reactor, a method of sandwiching the support 8 between one of the plates 2 and 2 and the gasket 3, or a method of using a support 8 having a restoring force and applying between the plates 2 and 2 A method of compressing and fixing by surface pressure and the like can be mentioned.

図5の、上下のプレート2,2とガスケット3を横から見た断面図は、後者の、復元力を有する支持体8を用いる方法を示すものであって、該支持体8が、プレート2,2間に印加される面圧により圧縮固定されている状態を示している。
なお、該図では、復元力のある支持体8として、石英ウール等の綿状体やスポンジ状多孔体などを用いた例を示しているが、これらに限られず、例えば、筒状又は袋状のメッシュなどの多孔体を用いることもできる。
The cross-sectional view of the upper and lower plates 2, 2 and the gasket 3 in FIG. , 2 are compressed and fixed by the surface pressure applied between them.
In the figure, an example is shown in which a flocculent material such as quartz wool or a sponge-like porous material is used as the support 8 having a restoring force. It is also possible to use a porous body such as a mesh of

本発明の積層反応器における固体触媒の固定方法によれば、固体触媒7の粒径・形状は特に限定されず、用いる支持体8の目開きを選択することにより、如何なる大きさの粒径を有するものであっても、或いは如何なる形状を有するものであっても、脱落・飛散しないように固定することができる。 According to the method of fixing the solid catalyst in the stacked reactor of the present invention, the particle size and shape of the solid catalyst 7 are not particularly limited, and the size of the particle size can be adjusted by selecting the opening of the support 8 to be used. It can be fixed so as not to fall off or scatter even if it has any shape.

後述するように、特に固体触媒7の粒径は、反応性能を保証する条件の1つとして重要であり、本発明における、如何なる大きさの粒径を有する固体触媒でも反応容器内の壁面に脱落・飛散しないように固定できるという作用・効果は、積層型反応器における反応性能を向上させ、設計上、非常に有用であるといえる。 As will be described later, the particle size of the solid catalyst 7 is particularly important as one of the conditions for guaranteeing the reaction performance.・It can be said that the action and effect of being able to be fixed so as not to scatter improves the reaction performance in the stacked reactor and is very useful in terms of design.

積層型反応器において、先行文献1等に記載された従来の固体触媒の固定方法では、固体触媒の粒径を大きくすると、流路の内壁面からの脱落ないし飛散を防止するために多量のバインダーが必要となるため、ボイド率が低減し、圧力損失の抑制が困難となる。また多量のバインダーに固体触媒が埋もれて反応点が減少するために、反応率が減少してしまう。
これに対し、本発明の固定方法によれば、バインダーを用いずに、固体触媒を脱落ないし飛散しないように固定することができるので、例えば、本発明の積層型反応器を用いたメタンの改質反応において、固体触媒の粒径を0.3mmより大きくすることによって、ボイド率を高めて圧力損失を抑制することができ、しかも、粒径の小さい固体触媒を用いた場合、或いは一般的な管型の触媒充填層型反応器を用いた場合と同程度又はそれ以上のメタン転化率を得ることができる。
In the conventional solid catalyst fixing method described in Prior Document 1, etc., in a layered reactor, when the particle size of the solid catalyst is increased, a large amount of binder is used to prevent it from falling off or scattering from the inner wall surface of the flow channel. is required, the void fraction is reduced, making it difficult to suppress pressure loss. In addition, since the solid catalyst is buried in a large amount of binder and the number of reaction points is reduced, the reaction rate is reduced.
On the other hand, according to the fixing method of the present invention, the solid catalyst can be fixed without using a binder so as not to fall off or scatter. In the quality reaction, by making the particle size of the solid catalyst larger than 0.3 mm, the void fraction can be increased and the pressure loss can be suppressed. A methane conversion rate comparable to or higher than that obtained using a tubular catalyst packed bed reactor can be obtained.

以下、本発明の積層型反応器を構成する他の要素・部材について、説明する。 Other elements and members constituting the layered reactor of the present invention will be described below.

(プレート)
プレート2の材質は、積層型反応器1の使用条件下で原料及び反応生成物と反応せず、かつ変形しないものであれば特に限定されず、例えば、ステンレス系材質(SUS316、SUS316L、SUS303、SUS420J2、SUS304、SUS440C等)、アルミ系材質(A2017、A5052、A5056、A6061、A7075等)、真鍮系材質(C3601、C3604B等)、鉄系材質(S10C~S45C、SCM415、SCM420、SCM435、SCM440、SUJ2、SKD11、SKS3、SUM22D、SUM24L、STKM13A、SCR420等)、ニッケル系材質(インコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)、モネル(登録商標)、インコロイ(登録商標)等)、チタン及び銅をはじめとする金属材料、アクリル樹脂などの有機化合物材料、並びにアルミナ、石英などのセラミックス材料等が使用できる。また、単一の材料に限定されず、めっきや蒸着等の被覆を施したものであってもよい。
プレート2の形状は、板形状であれば特に限定されず、前述の図1に示すように、触媒を敷設するための凹部を有するものでもよいし、又は、凹部を有しない平板状のものでもよい。
プレート2の寸法も特には限定されず、入手のしやすさ、必要な反応生成物の量及び反応の制御のしやすさ等を考慮して、適宜決定すれば良い。一例として、長さ10~1000mm、幅1~1000mm、厚さ0.1~10mmが挙げられる。
(plate)
The material of the plate 2 is not particularly limited as long as it does not react with the raw materials and reaction products under the conditions of use of the stacked reactor 1 and does not deform. SUS420J2, SUS304, SUS440C, etc.), aluminum materials (A2017, A5052, A5056, A6061, A7075, etc.), brass materials (C3601, C3604B, etc.), iron materials (S10C to S45C, SCM415, SCM420, SCM435, SCM440, SUJ2, SKD11, SKS3, SUM22D, SUM24L, STKM13A, SCR420, etc.), nickel-based materials (Inconel (registered trademark), Hastelloy (registered trademark), Monel (registered trademark), Incoloy (registered trademark), etc.), titanium and copper metal materials such as those mentioned above, organic compound materials such as acrylic resins, and ceramic materials such as alumina and quartz. In addition, the material is not limited to a single material, and may be coated with plating, vapor deposition, or the like.
The shape of the plate 2 is not particularly limited as long as it is a plate shape, and as shown in FIG. good.
The size of the plate 2 is also not particularly limited, and may be determined as appropriate in consideration of the availability, the required amount of the reaction product, the ease of control of the reaction, and the like. An example is a length of 10-1000 mm, a width of 1-1000 mm, and a thickness of 0.1-10 mm.

(ガスケット)
ガスケット3は、プレート2と共に流路4を確定する機能に加えて、内部の流体がガスケット3のシール面を通って外部に流出しない程度のシール性を有する。
前述のシール性を有するガスケットの材質としては、PTFE等のエンジニアリングプラスチックもしくはスーパーエンジニアリングプラスチック、天然ゴム、合成ゴム(ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、)、膨張黒鉛、マイカ等が挙げられる。
またガスケット自体が、複数の材料を積層させて構成されてもよい。例えば、芯材をステンレス板等の強度をもった材料にしてその両面に別材質のシートを張り合わせたものや、メタルジャケットガスケットが挙げられる。
ガスケットの厚さは、前述のシール性、並びに形成する流路の高さを考慮して適宜設定すればよく、一例として、0.1mm~10mmが挙げられる。
(gasket)
The gasket 3, in addition to the function of defining the flow path 4 together with the plate 2, has sealing properties to the extent that the internal fluid does not flow out to the outside through the sealing surface of the gasket 3. As shown in FIG.
Materials for the above-mentioned sealing gasket include engineering plastics such as PTFE, super engineering plastics, natural rubber, synthetic rubber (nitrile rubber, chloroprene rubber, ethylene propylene rubber, fluororubber, silicone rubber), expanded graphite, and mica. etc.
Also, the gasket itself may be constructed by laminating a plurality of materials. For example, a core material made of a strong material such as a stainless steel plate and laminated with sheets of different materials on both sides thereof, or a metal jacket gasket can be used.
The thickness of the gasket may be appropriately set in consideration of the aforementioned sealing properties and the height of the flow path to be formed, and an example is 0.1 mm to 10 mm.

(流路)
流路4は、導入された原料流体を流通させながら反応させ、生成物を得る機能を有する。流路の形状及び寸法は、反応条件(温度、圧力等)の制御のしやすさや、反応効率等を考慮して、適宜設定すればよい。一例として、長さ10~1000mm、幅1~1000mm、厚さ0.1~10mmが挙げられる。
(Flow path)
The flow path 4 has a function of allowing the introduced raw material fluid to flow and react to obtain a product. The shape and dimensions of the channel may be appropriately set in consideration of the ease of control of the reaction conditions (temperature, pressure, etc.), reaction efficiency, and the like. An example is a length of 10-1000 mm, a width of 1-1000 mm, and a thickness of 0.1-10 mm.

(流体入口・流体出口)
流体入口5は、流路4内に流体を導入する機能を有し、流体出口6は、流路内の流体を外部へと排出する機能を有する。本実施形態に係る積層型反応器は、図1に示すように、下側に位置するプレートに流体入口5が設けられており、上側に位置するプレートに流体出口6が設けられている。すなわち、積層型反応器1は、下側から導入された流体が、流路4を通って上側に排出されるように作動する。
(fluid inlet/fluid outlet)
The fluid inlet 5 has the function of introducing fluid into the channel 4, and the fluid outlet 6 has the function of discharging the fluid in the channel to the outside. As shown in FIG. 1, the layered reactor according to this embodiment has a fluid inlet 5 provided on the lower plate and a fluid outlet 6 provided on the upper plate. That is, the stacked reactor 1 operates such that the fluid introduced from the bottom is discharged upward through the channel 4 .

以上、本発明の一実施形態について説明したが、該実施形態は種々の変形が可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the embodiment can be modified in various ways.

例えば、本実施形態に係る積層型反応器はプレート2,2が矩形板として説明されたが、図6(a)に示すような六角形の板をはじめ、三角形、五角形、八角形等の多角形の板、又は図6(b)に示すような円板をはじめ、楕円形又は長円形の板等を採用してもよい。 For example, although the plates 2, 2 of the stacked reactor according to the present embodiment have been described as rectangular plates, hexagonal plates as shown in FIG. A rectangular plate, a circular plate as shown in FIG. 6(b), an elliptical or oval plate, or the like may be employed.

また、本実施形態に係る積層型反応器1は、流体入口5及び流体出口6がそれぞれ異なるプレート2,2に設けられたものとして説明されたが、図7に示すように、何れか一方のプレート2に流体入口5及び流体出口6の両方が設けられてもよい。この場合、積層型反応器は、下側から導入された流体が、流路4を通って下側に排出されるように作動する。 Further, the stacked reactor 1 according to the present embodiment has been described as having the fluid inlet 5 and the fluid outlet 6 provided on different plates 2, 2, respectively, but as shown in FIG. The plate 2 may be provided with both fluid inlets 5 and fluid outlets 6 . In this case, the stacked reactor operates such that the fluid introduced from the bottom is discharged downward through the channel 4 .

また、本実施形態に係る積層型反応器1は、上述のように2枚のプレート2,2を用いたものとして説明されたが、プレートを3枚以上用いて構成されてもよい。この場合には、図8(a)に示すように、流路4が上下重なるように構成することも可能であり、また図8(b)に示すように、積層構造の最下層及び最上層に配置された2枚のプレート21,21を上述のように構成すると共に、それ以外のプレートを、複数の貫通孔221を備える整流プレート22とすることも可能である。
整流プレート22を用いた場合、流体が貫通孔221を通過する際に、バイパスや停留等で生じていた流路内の流体流れの偏奇が解消し、均一な反応を起こすことができる。
Moreover, although the stacked reactor 1 according to the present embodiment has been described as using two plates 2, 2 as described above, it may be configured using three or more plates. In this case, as shown in FIG. 8(a), it is also possible to configure the channels 4 to overlap vertically, and as shown in FIG. 8(b), the bottom layer and top layer of the laminated structure It is also possible to configure the two plates 21 , 21 arranged in the direction described above, and to use the rectifying plate 22 having a plurality of through holes 221 as the other plate.
When the rectifying plate 22 is used, when the fluid passes through the through-holes 221, the unevenness of the fluid flow in the flow path caused by bypassing, stagnation, etc. is eliminated, and a uniform reaction can occur.

このように作用する整流プレート22としては、例えば、板部材に機械加工やレーザー加工等で貫通孔を形成したもの、枠部材にメッシュや多孔質布を張設したもの、又は板部材に設けた貫通孔や開口セラミックス等の多孔質体を装填したもの等が挙げられる。
また、前述した整流プレート22に、固体触媒を担持してもよい。
As the rectifying plate 22 that functions in this way, for example, a plate member having through holes formed by machining or laser processing, a frame member covered with mesh or porous cloth, or a plate member provided with a Examples include those filled with porous bodies such as through-holes and open ceramics.
Further, a solid catalyst may be supported on the straightening plate 22 described above.

さらに、本実施形態に係る積層型反応器1は、必要に応じて、測温手段や圧力測定手段、或いは流体を供給ないし排出する細管等を、前記プレート2,2のいずれかと前記ガスケット3の間に挟持して、その一部が前記流路4内に配置されるようにしてもよい。この場合、これらのものを隙間無く挟持するため、ガスケット3として、積層型反応器の積層組立時に圧縮変形が可能な、膨張黒鉛をはじめとする圧縮率の大きな材質のものを用いることが好ましい。 Further, in the stacked reactor 1 according to the present embodiment, temperature measuring means, pressure measuring means, thin tubes for supplying or discharging fluid, or the like are provided between the plates 2 and 2 and the gasket 3 as necessary. It may be sandwiched between them so that a part thereof is arranged in the channel 4 . In this case, it is preferable to use a material having a high compressibility, such as expanded graphite, which is capable of being compressed and deformed when assembling the stacked reactors, in order to sandwich them without gaps.

以上のとおり、本発明に係る積層型反応器は、プレート2の面及び/又はガスケット3の開口部の形状や、プレート2及び/又はガスケット3の厚さや積層枚数を調節することで、流路の形状及び寸法を比較的容易に変更できる利点も有するものである。 As described above, in the stacked reactor according to the present invention, by adjusting the shape of the surface of the plate 2 and/or the opening of the gasket 3, the thickness of the plate 2 and/or the gasket 3, and the number of stacked layers, the flow path It also has the advantage that the shape and dimensions of the can be changed relatively easily.

本発明のように、反応器の内壁に触媒を敷設した反応器(以下、「触媒壁型反応器」ということもある)においては、十分な反応性能(メタン改質における高い転化率)を発揮できるよう設計することは重要である。
以下、触媒壁型反応器の設計において検討される、ボイド率、無次元数(チーレ数、ペクレ数、ダムケラー数)、及び伝熱面積について、順に説明する。
As in the present invention, a reactor with a catalyst laid on the inner wall of the reactor (hereinafter sometimes referred to as a "catalyst wall reactor") exhibits sufficient reaction performance (high conversion rate in methane reforming). It is important to design for
The void fraction, dimensionless numbers (Thiele number, Peclet number, Damkohler number) and heat transfer area, which are considered in the design of the catalytic wall reactor, will be described in order below.

(ボイド率)
ボイド率(α)とは、反応容器内部の何もない空間の割合を示すものである。
図9は、ボイド率の定義に用いる触媒壁型反応器内の触媒層の寸法を示す図であり、(a)は、プレートの凹部内に敷設された場合、(b)は、凹部のないプレート表面に敷設された場合を示している。
いすれの場合も、触媒の真密度ρreal、触媒の充填密度ρ、及びプレート型反応器内部の寸法A、Bとから、
ボイド率α=1-{ρ×(B-A)/B}/ρreal
と定義できる。
なお、真密度ρrealについては、ガス置換法で測定する等の方法、充填密度ρについては、所定重量の触媒をメスフラスコなどで体積を測る等の方法で、得ることができる。
(void fraction)
The void fraction (α) indicates the proportion of empty space inside the reaction vessel.
FIG. 9 is a diagram showing the dimensions of the catalyst layer in the catalyst wall reactor used to define the void fraction, (a) when laid in the recess of the plate, (b) without the recess. It shows the case laid on the plate surface.
In any case, from the true density ρ real of the catalyst, the packing density ρ b of the catalyst, and the dimensions A and B inside the plate reactor,
Void fraction α = 1 - {ρ b × (B - A) / B} / ρ real
can be defined as
The true density ρ real can be obtained by a method such as measurement by a gas replacement method, and the packing density ρ b can be obtained by a method such as measuring the volume of a predetermined weight of catalyst with a volumetric flask or the like.

(チーレ数)
触媒粒径の条件として、反応分子が触媒粒子内の活性点まで拡散することが律速段階にならず、反応律速となる十分小さな粒径をもつことが好ましい。
反応律速域が成立する条件として、触媒粒子を球状と仮定し、かつ擬一次反応を仮定した場合において、
チーレ数φ=(dp/6)・(k/De)0.5
[式中、dpは触媒粒径(m)、kは触媒反応における速度定数またはターンオーバー頻度(1/s)、Deは触媒粒子内の有効拡散係数(m/s)]
で定義されるパラメーターがあり、チーレ数(φ)は、なるべく小さいことが好ましく、0.1以下となることが非常に好ましい。
(Chiele number)
As a condition of the catalyst particle size, it is preferable that the particle size is sufficiently small so that diffusion of the reaction molecules to the active point in the catalyst particle does not become a rate-limiting step, and the reaction rate is determined.
Assuming that the catalyst particles are spherical and a pseudo-first-order reaction is assumed as a condition for establishing a reaction rate-limiting region,
Thiele number φ=(dp/6)·(k/De) 0.5
[Wherein, dp is the catalyst particle size (m), k is the rate constant or turnover frequency in the catalytic reaction (1/s), and De is the effective diffusion coefficient in the catalyst particle (m 2 /s)]
and the Thiele number (φ) is preferably as small as possible, most preferably 0.1 or less.

(ペクレ数・ダムケラー数)
反応律速域に近い触媒の反応性能を発揮する条件があり、反応器を規定する設計条件と操作条件が制約される。
一つ目は反応流体が流れの垂直方向に濃度分布をもたないこと、すなわち流速に対して分子の触媒層に行き渡る速度が充分に速いことである。
これはペクレ数Pe=(空間速度)/(拡散速度)で定義され、触媒壁型反応器においては、
ペクレ数Pe=(u/L)/(D/d
[式中、uは空塔速度(m/s)、Lは触媒層長さ(m)、Dは拡散係数(m/s)、dは拡散距離(m)であり、空塔速度uは流量を流体が通過する断面積で除すことで求められる。]
として表される。図9(a),(b)に示すような両壁面の触媒壁型反応器においては拡散距離d=B/2であり、片壁面の触媒壁型反応器においては拡散距離d=Bである。
なお、図10は、触媒壁型反応器における触媒層寸法(L、W、H)の定義を説明する図である。
(Péclet number, Damkohler number)
There are conditions under which the reaction performance of the catalyst is close to the reaction rate-determining region, and the design and operating conditions that define the reactor are restricted.
The first is that the reaction fluid does not have a concentration distribution in the direction perpendicular to the flow, that is, the speed at which the molecules reach the catalyst layer is sufficiently high relative to the flow velocity.
This is defined by the Peclet number Pe = (space velocity) / (diffusion velocity), and in a catalytic wall reactor,
Peclet number Pe=(u/L)/(D/d 2 )
[Wherein, u is superficial velocity (m/s), L is catalyst layer length (m), D is diffusion coefficient (m 2 /s), d is diffusion distance (m), superficial velocity u is obtained by dividing the flow rate by the cross-sectional area through which the fluid passes. ]
is represented as In a double-walled catalytic wall reactor as shown in FIGS. 9(a) and (b), the diffusion distance is d=B/2, and in a single-walled catalytic wall reactor, the diffusion distance is d=B. .
FIG. 10 is a diagram for explaining the definition of catalyst layer dimensions (L, W, H) in a catalyst wall reactor.

二つ目は触媒層において分子が反応によって消費されてもなお、反応流体が流れの垂直方向に濃度分布をもたないこと、すなわち反応速度に対して分子の触媒層に行き渡る速度が充分に速いことである。
これはダムケラー数Da=(反応速度)/(拡散速度)で定義され、触媒壁型反応器においては、
ダムケラー数Da=k/(D/d)
[式中、kは触媒ターンオーバー頻度(1/s)、Dは拡散係数(m/s)、dは拡散距離(m)]
として表される。
The second is that even if the molecules are consumed by the reaction in the catalyst layer, the reaction fluid does not have a concentration distribution in the direction perpendicular to the flow. That is.
This is defined by the Damkohler number Da = (reaction rate) / (diffusion rate), and in a catalyst wall reactor,
Damkohler number Da=k/(D/d 2 )
[Wherein, k is the catalyst turnover frequency (1/s), D is the diffusion coefficient (m 2 /s), and d is the diffusion distance (m)]
is represented as

触媒壁型反応器としては、ペクレ数Peとダムケラー数Daが両者ともに0.3以下、好ましくは0.1以下となって、触媒壁に十分反応流体が供給されることが、反応律速域の性能を得るために必要である。 As for the catalyst wall reactor, both the Peclet number Pe and the Damkohler number Da are 0.3 or less, preferably 0.1 or less, so that the reaction fluid is sufficiently supplied to the catalyst wall. Required for performance.

(伝熱面積)
伝熱面積(S)とは、反応器壁面に面する触媒層の面積である。
触媒壁型反応器においては、前記の図10に図示される触媒層の寸法L、W、Hを用いて表され、同図中の(a)に示すように、プレートの凹部内に敷設されている場合には、伝熱面積S=2{LW+2(L+W)H}で計算される。
また、同図中の(b)に示すように、凹部の無いプレート表面に敷設されている場合には、伝熱面積S=2LWで計算される。
なお、図11は、管型の触媒充填型反応器における触媒層寸法(L、di)の定義を説明する図であって、触媒充填型反応器の場合は、触媒層の寸法di及びLを用いて、伝熱面積s=πdiLで計算される。
伝熱面積は、固体触媒1mLについて、1000~2000mmであることが好ましく、さらには2000~20000mmであることが好ましい。
(Heat transfer area)
The heat transfer area (S) is the area of the catalyst layer facing the reactor wall.
In the catalyst wall reactor, the dimensions L, W, and H of the catalyst layer shown in FIG. , the heat transfer area is calculated as S=2 {LW+2(L+W)H}.
Moreover, as shown in (b) in the same figure, when it is laid on the plate surface without recesses, the heat transfer area is calculated as S=2LW.
Note that FIG. 11 is a diagram for explaining the definition of the catalyst layer dimensions (L, d i ) in a tubular catalyst-filled reactor. L is used to calculate the heat transfer area s=πd i L.
The heat transfer area is preferably 1,000 to 2,000 mm 2 , more preferably 2,000 to 20,000 mm 2 per 1 mL of solid catalyst.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明するが、実施例は、本発明の好適な例を示すものであり、本発明は、該実施例によって何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples and comparative examples, but the examples show preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited by the examples. do not have.

[実施例]
図1に示す積層型反応器を作製した。プレートには300mm×30mm×7mmのSUS316板を使用した。ガスケットには外寸法が300mm×30mm×0.5mmで、中央に250mm×4mmのスリットを備えた膨張黒鉛を使用した。また、2枚のプレートにおける流路を画定する面(流路の底面)に、幅80mm、深さ4mmの凹部を設け、該凹部に、粒径0.3mm(50メッシュ)~1mm(16メッシュ)のNiO/Al固体触媒を0.5gずつ、計1.0gを充填することで、固体触媒を敷設した。
さらに、図3,4のように、プレートの凹部に固体触媒を敷設した状態で、75μmの目開きを有するステンレスメッシュ(200メッシュ)でカバーし、ガスケットとプレートの間に挟持して固定した。
[Example]
A stacked reactor shown in FIG. 1 was produced. A 300 mm×30 mm×7 mm SUS316 plate was used as the plate. The gasket used expanded graphite with outer dimensions of 300 mm x 30 mm x 0.5 mm and a slit of 250 mm x 4 mm in the center. In addition, a concave portion having a width of 80 mm and a depth of 4 mm is provided on the surface defining the flow channel (bottom surface of the flow channel) of the two plates, and the concave portion has a particle size of 0.3 mm (50 mesh) to 1 mm (16 mesh). ) was filled with 0.5 g of the NiO/Al 2 O 3 solid catalyst in total of 1.0 g, thereby laying the solid catalyst.
Furthermore, as shown in FIGS. 3 and 4, the recesses of the plate, with the solid catalyst laid thereon, were covered with a stainless steel mesh (200 mesh) having an opening of 75 μm, and were sandwiched and fixed between the gasket and the plate.

[比較例]
上記特許文献1に記載する方法により、0.3mm以下に篩い分けた固体触媒を0.5gずつ、硝酸アルミニウム溶液(濃度0.04mol/L)を固体触媒1gにつき1mLの量を用いて前記プレートの凹部のそれぞれに埋設固定し、実施例におけるステンレスメッシュは用いなかった。
[Comparative example]
By the method described in Patent Document 1, 0.5 g of the solid catalyst sieved to 0.3 mm or less, and 1 mL of aluminum nitrate solution (concentration 0.04 mol / L) per 1 g of the solid catalyst were used to prepare the plate. , and the stainless steel mesh in the example was not used.

このようにして作製した実施例及び比較例の積層型反応器を電気炉内に設置し、反応器外部の熱電対により反応器温度を525℃に制御した後、流体入口からCH/CO=約60sccm/約60sccmとなる流量で流通させ、メタンのドライ改質反応(CH+CO→2H+2CO)を120分間進行させた。 The stacked reactors of Examples and Comparative Examples thus prepared were installed in an electric furnace, and the reactor temperature was controlled to 525°C by a thermocouple outside the reactor, and then CH 4 /CO 2 was introduced from the fluid inlet. = about 60 sccm/about 60 sccm, and the dry reforming reaction of methane (CH 4 +CO 2 →2H 2 +2CO) was allowed to proceed for 120 minutes.

反応試験結果である圧力損失およびメタン転化率の経時変化の結果を図12に示す。
実施例においては、ドライ改質の副反応としてCH→C+2Hの炭素析出の反応が生じ、これにより流路が析出した炭素によって塞がれプレート型反応器にかかる圧力損失は68kPaの増加であった。
一方、比較例においては、圧力損失は497kPaの増加であった。
このことから、実施例では、比較例に比べて圧力損失が抑制されており、急激な圧力上昇がなかったことがわかった。
FIG. 12 shows the results of pressure drop and methane conversion over time, which are reaction test results.
In the example, a reaction of carbon deposition of CH 4 →C + 2H 2 occurs as a side reaction of dry reforming, and as a result, the channel is blocked by the deposited carbon, and the pressure loss applied to the plate reactor increases by 68 kPa. there were.
On the other hand, in the comparative example, the pressure loss increased by 497 kPa.
From this, it was found that in the example, the pressure loss was suppressed as compared with the comparative example, and there was no sudden pressure rise.

この理由として、本実施例におけるボイド率[α=1-{ρ×(B-A)/B}/ρreal]の高さが考えられる。
すなわち、本実施例におけるボイド率αを、実施例における真密度(ρreal)4g/L、充填密度(ρb)1.1375g/L、プレート間の幅(A)0.54mm、上下の触媒敷設部の底の間の幅(B)3.54mmを基に計算すると、0.759と計算される。
なお、真密度(ρreal)は、ガス置換法で測定し、充填密度(ρb)は、所定重量の触媒をメラフラスコなどで体積を測り算出した。
同様の算出法を比較例にもあてはめるとボイド率αは、0.753であり、実施例に比べて低かった。
本実施例のボイド率の高さは大きな触媒粒径の固体触媒を固定できた結果である。
A possible reason for this is the high void fraction [α=1-{ρ b ×(BA)/B}/ρ real ] in this embodiment.
That is, the void ratio α in this example is the true density (ρ real ) of 4 g / L, the packing density (ρb) of 1.1375 g / L, the width between plates (A) of 0.54 mm, and the upper and lower catalyst laying Based on the width (B) of 3.54 mm between the bottoms of the parts, it is calculated to be 0.759.
The true density (ρ real ) was measured by a gas replacement method, and the packing density (ρb) was calculated by measuring the volume of a given weight of the catalyst with a Mera flask or the like.
When the same calculation method was applied to the comparative example, the void ratio α was 0.753, which was lower than that of the example.
The high void fraction in this example is the result of fixing a solid catalyst with a large catalyst particle size.

また、実施例における、ガス分析によるメタン転化率は20~27%であり、比較例や一般的な管型の触媒充填層型反応器と比べて遜色なく同程度のメタン転化率であった。
この理由として、本実施例が反応律速域で試験実施できていたことが挙げられる。
反応律速域が成立する条件として球状を仮定した触媒において、実施例[L=80mm、W=4mm、H=1.37mm、d(拡散距離)=4.61mm]、及び比較例[L=80mm、W=4mm、H=1.34mm、d(拡散距離)=1.62mm]における、無次元数(チーレ数φ、ペクレ数Pe、ダムケラー数Da)の計算結果を表1に示す。
なお、本試験においては、k=1/s、De=1×10-7/s、D=1×10-4/s、u=0.4m/sと推算された。
In the examples, the methane conversion rate by gas analysis was 20 to 27%, which was comparable to that of the comparative example and a general tubular catalyst packed bed reactor.
One of the reasons for this is that the present example was able to be tested in the reaction rate-determining region.
In the catalyst assumed to be spherical as a condition for establishing a reaction rate-determining region, Example [L = 80 mm, W = 4 mm, H = 1.37 mm, d (diffusion distance) = 4.61 mm] and Comparative Example [L = 80 mm , W = 4 mm, H = 1.34 mm, d (diffusion distance) = 1.62 mm].
In this test, it was estimated that k=1/s, De=1×10 −7 m 2 /s, D=1×10 −4 m 2 /s, u=0.4 m/s.

表1に示すとおり、実施例及び比較例ともに、チーレ数φは0.1を下回っていた。また、ペクレ数Peとダムケラー数Daは、両者ともに0.3以下であったために、触媒壁に十分反応流体が供給されることであると考えられる。
また、実施例、比較例ともにペクレ数Peは0.1をやや上回ったが、チーレ数φとダムケラー数Daについては0.1を下回っており、準反応律速域~反応律速域で試験実施されていたことが分かった。
As shown in Table 1, the Thiele number φ was less than 0.1 in both the examples and the comparative examples. Moreover, since both the Peclet number Pe and the Damkohler number Da were 0.3 or less, it is considered that the reaction fluid was sufficiently supplied to the catalyst wall.
In addition, although the Peclet number Pe slightly exceeded 0.1 in both the examples and the comparative examples, the Thiele number φ and the Damkohler number Da were below 0.1. I found out that

このほかの理由として、伝熱面積が、従来形式の管型の触媒充填層型反応器を上回る伝熱面積を確保できていたことが挙げられる。
本実施例および比較例で検討したメタンドライ改質は反応エンタルピーが、ΔHr=247kJ/molの大きな吸熱反応であるため、熱供給を確保して反応温度を維持することも重要である。
伝熱面積(S=2{LW+2(L+W)H})は、実施例(L=80mm、W=4mm、H=1.37mm)において、871mmであり、比較例(L=80mm、W=4mm、H=1.34mm)においては、866mmであり、実施例の方がわずかに大きく、また、従来の管型の触媒充填層型反応器における伝熱面積790~808mmを上回っていた。
このことは触媒層を広く薄く壁面に固定する触媒壁型の方式が、構造的に大きな伝熱面積になることを示している。
Another reason is that the heat transfer area was larger than that of the conventional tubular catalyst packed bed reactor.
Since the methane dry reforming studied in this example and comparative example is a large endothermic reaction with a reaction enthalpy of ΔHr=247 kJ/mol, it is also important to secure heat supply to maintain the reaction temperature.
The heat transfer area (S = 2 {LW + 2 (L + W) H}) was 871 mm 2 in the example (L = 80 mm, W = 4 mm, H = 1.37 mm), and in the comparative example (L = 80 mm, W = 4 mm, H = 1.34 mm), it was 866 mm 2 , which was slightly larger in the example and exceeded the heat transfer area of 790-808 mm 2 in the conventional tubular catalyst packed bed reactor. .
This indicates that the catalyst wall type method, in which the catalyst layer is fixed to the wall surface with a wide and thin thickness, has a structurally large heat transfer area.

本発明によれば、メタン改質による水素製造あるいは合成ガス製造において、炭素析出による流路閉塞に至るまで或いは触媒のメンテナンスに至るまでを従来よりも長時間かけて実施できる。それによりメンテナンス頻度を下げることができ、結果としてランニングコストを低減させた運転を実施できる。また、本発明は、流路閉塞の要因である炭素析出を伴うメタン改質反応に限定されず、広く炭素化合物の改質や固体析出を伴う反応系にも有用である。 According to the present invention, in the production of hydrogen or synthesis gas by reforming methane, it is possible to take a longer period of time than before to perform flow path clogging due to carbon deposition or catalyst maintenance. As a result, maintenance frequency can be reduced, and as a result, operation can be performed with reduced running costs. In addition, the present invention is not limited to methane reforming reactions accompanied by carbon deposition, which is a factor of channel clogging, but is also useful in a wide range of reaction systems involving reforming of carbon compounds and deposition of solids.

1:積層型反応器
2,21:プレート
22:整流プレート
221:貫通孔
3:ガスケット
4:流路
5:流体入口
6:流体出口
7,71,72:固体触媒
8:支持体
1: Laminated Reactor 2, 21: Plate 22: Straightening Plate 221: Through Hole 3: Gasket 4: Channel 5: Fluid Inlet 6: Fluid Outlet 7, 71, 72: Solid Catalyst 8: Support

Claims (4)

固体析出を伴う反応用積層型反応器であって、
複数のプレートを、ガスケットを介して所定間隔で積層配置することで形成された流路と、
前記プレートのいずれかに設けられた、前記流路に連通する流体入口及び流体出口と、
粒径が0.3mmより大きい粉末状又は顆粒状の固体触媒と、
前記流路に面する壁面に設けられた、前記固体触媒の敷設部と、
前記固体触媒の敷設部を覆う、前記固体触媒の粒径よりも小さな目開きを有する支持体と、
を備え、
前記支持体が、前記プレートのいずれかとガスケットの間に挟持されており、
前記支持体によって、前記固体触媒が前記壁面に固定されている、積層型反応器。
A layered reactor for reactions involving solid deposition,
a channel formed by stacking a plurality of plates at predetermined intervals via gaskets;
a fluid inlet and a fluid outlet provided in one of the plates and communicating with the channel;
a powdery or granular solid catalyst with a particle size of greater than 0.3 mm;
a laying portion for the solid catalyst provided on a wall surface facing the flow path;
a support covering the laying portion of the solid catalyst and having openings smaller than the particle size of the solid catalyst;
with
the support is sandwiched between one of the plates and a gasket;
A stacked reactor in which the solid catalyst is fixed to the wall surface by the support.
前記固体触媒の敷設部が、前記プレート又はガスケットの流路に面する壁面に設けられた凹部内に設けられている、請求項1に記載の積層型反応器。 2. The stacked reactor according to claim 1, wherein the solid catalyst-laying portion is provided in a concave portion provided in a wall surface of the plate or gasket facing the channel. 前記固体触媒の敷設部が、前記プレート又はガスケットの流路に面する凹部の無い壁面表面に設けられている、請求項1に記載の積層型反応器。 2. The stacked reactor according to claim 1, wherein the solid catalyst-laying portion is provided on a wall surface of the plate or gasket that faces the channel and has no recess. 前記プレートが、
積層構造の最下層及び最上層に配置された2枚のプレートと、
該2枚のプレートの間に配置された、複数の貫通孔を備える整流プレートと
を備えると共に、
前記流体入口と流体出口とが、前記整流プレートに対して互いに反対側に配置された、請求項1~のいずれか1項に記載の積層型反応器。
the plate
two plates arranged on the bottom and top layers of the laminated structure;
a straightening plate having a plurality of through-holes disposed between the two plates,
4. The stacked reactor according to any one of claims 1 to 3 , wherein the fluid inlet and the fluid outlet are arranged opposite to each other with respect to the straightening plate.
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